如何减少电磁辐射?

在设计电子产品时，电磁兼容性是所有工程师关心的问题，而产品法规通常要求遵守严格的EMC规则。什么是EMC，为什么它很重要，以及如何减少它？

什么是EMC？

EMC一词代表电磁兼容性，它涉及到确保不同的电气系统可以在同一环境中工作而不相互干扰。一般来说，当一个电路在规定的极限（通常是法律规定的）下发射电磁辐射时，电磁兼容性就已经实现了，而当暴露在规定数量的电磁辐射下时，电磁兼容性不受影响。

为什么EMC很重要？

电磁兼容的主要目标是确保电子电路在暴露于外部电磁辐射时正常工作，并确保相关电子电路不会发射“杂散”电磁辐射。为了更好地理解为什么这很重要。让我们看一个非常著名的例子，其中没有考虑到EMC；移动信号。如果手机离扬声器足够近，你有时会听到著名的“Bip Bip Bip”。发生这种情况的原因是，尽管手机发送到手机发射塔的信号远远高于音频电平，但它会以音频频率对信号进行调制，扬声器可以检测并放大这些信号。在这个例子中，扬声器容易受到来自移动设备的杂散电磁辐射的影响，并且移动设备产生的电磁辐射可以影响其他电路的性能。

因此，在电路设计中，电磁兼容是很重要的，以确保外部信号不会干扰电路的正常工作，并且该电路的工作不会影响其他电路。减少干扰的需求正是为什么世界上大多数市场都有关于一个电路可以发射多少辐射以及它需要能够处理多少干扰的规定。因此，考虑EMC也很重要，因为如果不实施适当的EMC控制，产品将无法销售。

如何减少电磁辐射？

提高电路中的电磁兼容性是一项不小的壮举，在试图减少电磁辐射之前，必须充分了解电磁辐射的性质。一般来说，有两种方法可以使电磁辐射干扰设备：辐射和传导。辐射发射是由电磁波（即无线电）引起的，而传导发射是由来自干扰源的电信号耦合引起的（例如主电源的嗡嗡声进入扬声器）。防止外部干扰的方法对于保护外部设备免受产生的电磁干扰同样有效。

虽然抗电磁兼容性很重要，但通常最好从发射开始，因为这通常是导致设备在产品测试阶段出现故障的主要原因。一旦确定了发射源，就可以通过改变设计以减少发射源或在发射源到达外界之前采用吸收发射源的方法来消除发射源。

从源头减少发射

现代电子产品的大部分发射都是以无线电波的形式出现的，而这些几乎总是由高速开关电路引起的。常见的罪魁祸首包括开关电源（SMP）、电机控制器、无线电电路、高速总线和I/O连接器。

高速电路经常引起问题的原因是使用具有大转换率的高频方波（即从0到1的突然变化）。方波可以数学建模为无穷多个正弦波，奇次谐波的组合，这正是电磁世界产生的。当一个信号从1切换到0时，会产生许多奇次谐波频率的无线电发射，这些会对接收到这些信号的其他设备造成干扰。因此，可以通过降低转换率（即使方波形状更为梯形）来减少此类排放。

在许多情况下，发射可能来自开关噪声（例如在开关电源中发现的那些）。在这些情况下，向电路中注入额外的信号，也可以防止这些部件产生噪声。例如，在集成电路周围放置去耦电容器，不仅有助于防止开关噪声干扰正常工作，还能防止电源线的辐射。电阻器、电容器和电感器也可以用作I/O的滤波元件，既可以防止I/O连接器的排放泄漏，也可以防止排放物从I/O电缆逸出。

防止发射的另一种方法是确保PCB迹线的长度不是该迹线中信号频率波长的倍数。电线中的交流电产生的无线电波的频率与交流电的频率相匹配；这就是天线的作用。但是为了使天线达到峰值效率，必须设计成天线的长度是所需频率波长的倍数。因为天线只不过是一段导线，PCB轨迹很容易变成天线。最好看一个例子来理解它是如何工作的。

跟踪信号为2GA HZ。这个2GHz信号可以产生一个2GHz的无线电信号，其波长大约为15cm。因此，PCB迹线的长度应小于15cm，而不是倍数（即7.5cm、1.5cm等）。

吸收发射源

有时发射源无法完全清除，因此在这种情况下，在发射无线信号到达外界之前，将其吸收要容易得多。这主要是使用法拉第笼来完成的，法拉第笼要么环绕着嘈杂的部件，要么是整个产品，屏蔽层通常接地（即内部电路上的0伏）。

金属屏蔽通常出现在直接焊接到PCB上的Wi-Fi和蓝牙SOC上。金属屏蔽层包围着主集成电路及其支撑部件，通常焊接在地上。天线是一个PCB轨迹，它从金属外壳延伸到电路板的一个区域，该区域的接地板被移除。

也可以使用PCB上的功率平面来吸收干扰信号。对于有两层以上的电路板，最内层的两层通常用作电源平面（一层接地，另一层电源），这些可以有效地吸收杂散发射。最外层通常为信号预留，甚至这些层也会包括接地层。从那里，缝合通孔可用于环绕异常嘈杂的电路（如电源处理区域），这些缝合通孔有助于制造法拉第笼。

结论

EMC并不是一项容易完成的壮举，本文仅简单介绍了辐射的原因，以及如何进行吸收。工程师在电路设计的各个阶段都需要考虑电磁兼容性，而且在一个项目中考虑电磁兼容性越早，它就越容易开发。直到最后才考虑EMC的项目通常会导致完全的重新设计，这会耗费时间和金钱。
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